Para esta análise considerou-se a nova norma para a classificação de eficiência energética dos motores trifásicos de baixa tensão IEC 60034-30. Esta define e harmoniza à escala mundial as classes de eficiência classes de eficiência têm as seguintes equivalências: IE1, eficiência standart, equivale a EEF2; IE2, alta eficiência, equivale a EFF1; existem ainda IE3 e IE4, de eficiências ainda superiores e que não têm correspondência na antiga norma.
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Os motores identificados são trifásicos assíncronos com a classe de eficiência energética IE1 (EEF2) de acordo com chapa de características do motor na figura 17. Quando forem alvo de uma reparação ou substituição deve-se considerar a sua substituição por IE2 (EEF1).
Figura 17 – Ligação para medições da força motriz e respectiva chapa de características
Segundo a ADENE (Curso de Gestão de Energia na Industria) as normas a observar para o selecção e dimensionamento dos motores são as seguintes:
Procedimentos internos de projecto: Devem ser tidos sempre em consideração os seguintes
factores ou considerações energéticas para efeitos de projecto na escolha de um novo motor eléctrico ou sistema accionado por motor eléctrico
Dimensionamento dos motores: O dimensionamento de motores deve ser feito atendendo
sempre ao seu rendimento, entendendo-se aqui por rendimento de um motor como a razão entre a potência mecânica disponível no veio do motor e a potência eléctrica fornecida ao motor. O primeiro critério diz que os motores devem ser dimensionados para funcionarem com um factor de carga entre 65% e 100%. A prática comum de sobredimensionamento, pela utilização sistemática de factores de segurança muito elevados (por vezes extensíveis também ao dispositivo actuado pelo motor) resulta numa menos eficiente operação do motor. Por exemplo, um motor funcionando a 35% da carga nominal é menos eficiente do que um mais pequeno dimensionado para a mesma carga. Obviamente, algumas situações podem requerer sobredimensionamento para fazer face a picos de potência, mas para tais casos existem alternativas a considerar, nomeadamente o dimensionamento correcto do motor com apoio de um pequeno motor auxiliar. Aquando da comparação entre rendimentos de motor, deve-se utilizar uma medida consistente. O rendimento nominal (cujo valor aparece na chapa de características do motor) é o mais adequado. O rendimento nominal é um valor médio obtido através de um teste normalizado de uma amostra de
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um do modelo de motor. Para a comparação entre motores deve-se pois usa-se o rendimento nominal com o factor de carga esperado.Motores para vários níveis de rendimento apresentam naturalmente uma variada gama de velocidades, correntes de arranque e binários de arranque. Pode-se seleccionar um motor eficiente que apresente a melhor combinação destes parâmetros. A selecção do motor deve estar em consonância com os requisitos de desempenho pretendidos para o sistema de motor. Uma boa especificação deverá definir estes requisitos de desempenho e descrever o ambiente em que o motor operará. C o m v i s t a a optimizar primeiro critério o rendimento, o motor deverá ser dimensionado para operar com um factor de carga entre 75% e 80% afinando assim a selecção incial.Outros requisitos de desempenho deverão incluir: potência do motor e factores de serviço, aumento de temperatura e classe de isolamento, binário de arranque, intensidade máxima de corrente de arranque, velocidade do motor em operação a plena carga, tempo de paragem mínimo, inércia de carga e número expectável de arranques, utilização de Variador Electrónico de Velocidade (se aplicável) e condições ambientais tais como temperatura, humidade e níveis de poeiras. A Figura 18 mostra a distribuição típica das perdas de um motor de indução em função da carga. As perdas magnéticas e as perdas mecânicas são praticamente constantes, não variando com a carga. Pelo contrário as perdas no cobre e as perdas extraviadas mostram um crescimento substancial (quadrático) com o aumento da carga. A distribuição das perdas condiciona a variação de rendimento com a carga. Devido às perdas constantes (soma das perdas magnéticas e das perdas mecânicas), o rendimento dos motores de indução cai substancialmente para cargas inferiores a 50% da carga nominal, como pode ser visto na Figura 18. Entre 50% e 100% da carga o rendimento dos motores de indução permanece aproximadamente constante. O ponto de máximo rendimento ocorre, tipicamente, entre 75 e 100% da carga, dependendo do projecto do motor.
Figura 18 - Distribuição típica das perdas num motor de indução em função da carga do motor.
O sobredimensionamento excessivo (superior a 30%) dos motores de indução acarreta as seguintes desvantagens: (a) investimento inicial maior na aquisição do motor e na aparelhagem de comando e protecção do motor; (b) degradação do rendimento do motor, conduzindo a maiores custos de
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funcionamento da instalação; (c) degradação do factor de potência da instalação, com o consequente aumento dos custos na factura de energia eléctrica ou na necessidade de aquisição de equipamentos para compensar o factor de potência. Como pode ser visto na Figura 19 o factor de potência decrescecontinuamente com a diminuição da carga, pelo que motores sobredimensionados contribuem para a redução do valor do factor de potência da instalação.
Figura 19 - Variação do rendimento e do factor de potência de um motor de indução em função da carga (Fonte: Curso de Gestão de Energia na Industria – ADENE)
O sobredimensionamento pode também conduzir a um aumento da potência mecânica absorvida pela carga. A velocidade de operação depende da carga aplicada, e a carga imposta a um motor depende do seu dimensionamento. Por exemplo, um motor de 100 kW com uma carga a 25% poderá ser substituído por um outro de 50 kW com um factor de carga de 50% ou por um de 25 kW com um factor de carga de 100%. Um motor sobredimensionado opera a uma velocidade maior, devido ao seu menor escorregamento.
Para ventiladores e bombas centrífugas, mesmo uma pequena variação na velocidade de operação do motor, pode resultar numa significativa variação na carga imposta e no consumo anual de energia. Por causa das leis de afinidade de bombas e ventiladores, um pequeno aumento na velocidade de rotação do motor de +1,4% (ex.: 1440 r.p.m. para 1460 r.p.m.) pode resultar em 4% de aumento na carga de um motor accionando uma bomba ou um ventilador.
Motores de alto rendimento: Sempre que se considerem novas instalações ou substituição de
equipamento avariado ou obsoleto, deverá ser ponderada a utilização de motores de elevado rendimento. A utilização deste tipo de motores (conhecidos na terminologia inglesa por EEM –
Energy Efficient Motors ou High Efficient Motors) começou por ser incentivada em meados dos anos
setenta na América do Norte, e só nos últimos anos se tem verificado uma penetração crescente noutras áreas do globo, nomeadamente na Europa. Em Portugal ainda não é muito vista este tipo
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de tecnologia, mas é fundamental que as empresas industriais comecem a considerar este tipo de motores. As características construtivas destes motores assentam basicamente em:
- Utilização de uma laminagem mais fina na construção do núcleo e emprego de aço de baixas perdas;
- Desenho das ranhuras do estator e do rotor para diminuição da reactância de fugas; - Aumento dos núcleos rotórico e estatórico para diminuição da densidade de fluxo; - Diminuição da espessura do entreferro para diminuição da corrente de magnetização;
- Aumento da secção dos condutores dos enrolamentos para diminuição das perdas por efeito de Joule.
Destas modificações resultam um aumento de peso (pois são mais volumosos) de aproximadamente 15% e de preço de 25% a 35% comparativamente aos motores standards. O razão de serem mais caros deve-se essencialmente ao facto de usarem uma maior quantidade de matérias-primas, sendo também algumas de superior qualidade (como por exemplo, cobre). No entanto a melhoria do rendimento (normalmente de 3 a 4%) em relação aos motores standard, em determinadas condições, conduz a uma amortização relativamente rápida do investimento adicional.
Os motores de alto rendimento, por terem menores perdas funcionam normalmente a mais baixa temperatura, o que conduz a uma vida útil mais longa. Por conseguinte, a fiabilidade aumenta, conduzindo a menores tempos de paragens e a uma redução de custos de manutenção. Menores perdas também se repercutem em:
- Melhor tolerância a tensões térmicas resultantes de paragens ou arranques frequentes;
- Aumento da capacidade para suportar condições de sobrecarga;
- Melhor resistência a condições anormais de operação, tais como desequilíbrios de fases e subtensões ou sobretensões;
- Maior tolerância a formas de ondas de corrente e de tensão mais pobres (ex.: harmónicas). Outros benefícios associados aos motores de alto rendimento traduzem-se em:
- Menor factor de potência que, em média, este tipo de motores apresenta comparativamente aos motores standards.
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- Operações mais silenciosas que muitos destes motores verificam relativamente aos motores
standards, devido a terem ventiladores mais pequenos
Há contudo aspectos menos positivos no funcionamento de um motor de alto rendimento, que são causados pela menor resistência do rotor com esta diminuição verifica-se que:
Diminuição do binário de arranque, o que pode trazer problemas em cargas com elevada inércia, especialmente em situações em que se verifiquem flutuações de tensão apreciáveis. Recorde-se que o binário de arranque decresce rapidamente com a diminuição de tensão.
Aumento da corrente de arranque, o que pode ter implicações no dimensionamento da alimentação e accionamento do motor.
Diminuição do escorregamento, ou seja um pequeno aumento da velocidade do motor. Por exemplo, motores de 7,5 kW podem apresentar velocidades à plena carga de 1460 r.p.m. ou 1450 r.p.m., para motores de alto rendimento e standard, respectivamente.
Este facto faz com que, em aplicações tais como bombas e ventiladores, a carga o consumo suba, anulando uma parte substancial da economia obtida com a introdução do motor de alto rendimento (ver Figura 20). Recorde-se que a carga das bombas e ventiladores centrífugos cresce aproximadamente com o cubo da velocidade. Há contudo a possibilidade de evitar este aumento de carga através de ajustamentos na transmissão, no ventilador ou, sobretudo, utilizando o controlo electrónico de velocidade.
Figura 20 – Característica binário/velocidade de um ventilador e sua curva característica (Fonte: Curso de Gestão de Energia na Industria – ADENE)
Na figura anterior também s e mostra a característica de binário/velocidade de um ventilador. O ponto de funcionamento é dado pela intersecção das características do motor e da carga, neste caso o ventilador. Pode ser notado que a velocidade de funcionamento do motor de alto rendimento é superior à do motor standard.
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As situações mais atraentes do ponto de vista económico para instalar motores de alto rendimento ocorrem nas situações seguintes:
- Instalação de um novo equipamento ou motor. Neste tipo de situação um motor de alto rendimento
é normalmente vantajoso (tempo de recuperação do investimento inferior a três anos) para um número de horas de funcionamento superior a 2000 horas por ano numa instalação industrial.
- O motor existente avariou. Se o motor existente avariou, precisa de ser rebobinado e se tem um
número elevado de horas de funcionamento por ano, deverá ser considerada a sua substituição por um motor de alto rendimento.Com a excepção de motores pequenos (com potências inferiores a 5 kW), a reparação de um motor custa cerca de 30 a 50% do preço de um motor de alto rendimento. Assim a diferença no investimento é significativamente maior do que no caso anterior.
- O motor existente está fortemente sobredimensionado. Nestas condições e se o motor tem um número elevado de horas de funcionamento por ano, deverá ser considerada a sua substituição por um motor de alto rendimento com uma potência não excedendo o máximo da potência mecânica requerida. Esta substituição é particularmente vantajosa em empresas que têm um parque numeroso de motores instalados. O motor sobredimensionado, depois de ser substituído, pode servir como unidade de substituição.
A substituição de motor standard que se encontram em bom funcionamento raramente é atraente do ponto de vista económico pois neste caso o investimento adicional representa 100% do custo do motor de alto rendimento. A Figura 22 apresenta paybacks simples típicos em 3 situações:
Motor antigo avaria – Instalação de um Motor de Alto rendimento (EEM) versus Reparação do Motor;
Motor antigo avaria – Instalação de um Motor Standard (STD) versus Reparação do Motor; Novas aplicações – Instalação de um Motor de Alto rendimento (EEM) versus Motor
Standard (STD).
Figura 21 – Plano de retorno simples para três situações distintas (Fonte: Curso de Gestão de Energia na Industria – ADENE)
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a) Compra de um novo motor standard (STD) em vez da reparação do velho motor avariado (STD vs Repair);
b) compra de um motor novo de alto rendimento (EEM) em vez da reparação do velho motor avariado (EEM vs. Reparação);
c) compra de um motor novo de alto rendimento (EEM) em vez da compra de um novo motor standard STD (EEM vs. STD).
Valores baseados em: 0,06 Euro/kWh; 6000 horas/ano; Factor de Carga = 75%; valores médios Europeus para o rendimento STD e Preço; Rendimento EEM = Rendimento STD + 3 %; Rendimento de Motor Reparado = Rendimento STD -1 %; Preço EEM = 1,25 x Preço Motor Standard; Custo de Reparação = 0,4 x Motor Standard.
Para além das situações referidas, a selecção de um motor de alto rendimento é particularmente indicada aquando da compra de “pacotes” de equipamento tais como compressores, sistemas AVAC e bombas, em situações de grandes modificações nas instalações ou nos processos, e como parte de uma manutenção preventiva ou de um programa de conservação de energia.
Velocidade de operação: A selecção de motores eficientes deve ser feita atendendo à velocidade a
plena carga comparável para cargas centrífugas (bombas e ventiladores).
Há que assegurar que o motor é adequado para as necessidades do equipamento accionado. Os motores de indução têm uma velocidade de operação que é ligeiramente inferior à sua velocidade de sincronismo. Por exemplo, um motor com uma velocidade de sincronismo de 1500 r.p.m. terá um funcionamento típico a plena carga a cerca de 1450 r.p.m.. A velocidade de operação do motor (em r.p.m. à plena carga) é indicada na placa de características do motor a diferença entre a velocidade de sincronismo e a velocidade de operação é designada por escorregamento. O escorregamento varia com a carga e o modelo particular de motor.
Cada bomba ou ventilador tem uma velocidade de projecto. Cargas centrífugas de bombas e ventiladores são extremamente sensíveis a variações de velocidade; um aumento de apenas 5 r.p.m. pode afectar significativamente a operação da bomba ou do ventilador, conduzindo a um acréscimo de caudal, à redução da eficiência e a um aumento do consumo energético. Sempre que se proceda à substituição de uma bomba ou d e um ventilador, há que assegurar a selecção de um modelo com uma velocidade a plena carga (em r.p.m.) igual ou inferior à do motor a ser substituído.
Selecção do rendimento / Classificação EU-CEMEP: Um acordo existente desde 1999, entre a
associação europeia de fabricantes de material eléctrico e electrónica de potência (CEMEP) e a Comissão Europeia, assegura que os níveis de rendimento dos motores fabricados na Europa devem ser claramente do conhecimento público. Basicamente estabelece três classes de rendimentos (Classe I, Classe II e Classe III), dando aos fabricantes de motores um incentivo para a introdução de modelos de elevado rendimento. Estas classes de rendimentos aplicam-se a motores
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trifásicos de indução com gaiola de esquilo de 2 e 4 pólos (400 V, 50 Hz, de classe de funcionamento S1), com gamas de potência entre 1,1 e 90 kW, que correspondem à maior parcela de vendas do mercado.
Os rendimentos de motores de 400 V de diferentes fabricantes estão reunidos numa base de dados, designada de EURODEEM, publicada pela Comissão Europeia.
O accionamento dos ventiladores é feito por correias tipo "V" que podem facilmente ser substituídas por outras correias mais eficientes, nomeadamente por correias dentadas não síncronas que apresentam rendimentos 2% superiores e tempos de retorno do investimento muito reduzidos.
Figura 22 – Correias tipo V e correias dentadas